Informatik und Mathematik
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Lean Media Production : Konzept und Unterstützung durch das Autorensystem LernBar
(2013)
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Sarah Voß-Nakkour
- In der modernen Hochschullehre haben sich eLearning-Elemente als ein Teil des
Lehrrepertoires etabliert. Der Einsatz interaktiver webbasierter Selbstlernmodule
(Web Based Trainings (WBT)) ist dabei eine Option. Hochschulen und Unternehmen
versprechen sich dadurch neue Möglichkeiten des Lehrens und Lernens, um z. B.
einen Ausgleich heterogener Vorerfahrungen sowie eine stärkere aktive Beteiligung
der Lernenden zu bewirken. Damit die Erstellung und Strukturierung dieser Inhalte
mit möglichst geringem Aufwand erfolgen kann, bieten Autorensysteme Unterstützung.
Zu den Grundfunktionen von Autorensystemen gehören unter anderem,
das Einbinden gebräuchlicher Medienformate, die einfache Erstellung von Fragen
sowie verschiedene Auswertungs- und Feedbackmöglichkeiten. Obwohl Autorensysteme
schon vor vielen Jahren ihre erste praktische Anwendung fanden, gibt es nach
wie vor Schwachstellen, die sich auf den gesamten Erstellungsprozess wie auch auf
einzelne Funktionen beziehen. Im Detail wird bemängelt, dass die Werkzeuge zu
komplex und unflexibel sind. Darüber hinaus fehlt häufig eine zufriedenstellende
Verknüpfung der vielen Werkzeuge entlang der Prozesskette zu einer Gesamtlösung.
Des Weiteren wird die Konzentration auf die Produktionsphase kritisiert, wodurch
andere wichtige Prozesse in den Hintergrund treten bzw. außer Acht gelassen werden.
Im Rahmen der Zusammenarbeit mit einem Automobilhersteller, für den die erste
Version des Autorensystems LernBar weiterentwickelt wurde, spielte der Begriff
„Lean Production“ inhaltlich in der Umsetzung der WBTs eine wesentliche Rolle.
Die Lean Production, die über viele Jahre für die Automobilindustrie entwickelt,
verbessert und angepasst wurde, liefert Optimierungsansätze für den Produktionsbereich.
Ein wirtschaftlicher Nutzen des Lean-Ansatzes wird auch in anderen Bereichen
gesehen wie z. B. in der Softwareentwicklung („Lean Software Development“)
oder im Management („Lean Management“). Dabei bietet die Wertschöpfungsorientierung
Lösungen für die widersprüchlichen Ziele mehr Leistungen zu geringeren
Kosten, schneller und in höherer Qualität zugleich zu liefern. Aus der Grundidee der
Lean Production entwickelte sich vorliegendes Dissertationsthema in Bezug darauf,
inwiefern sich diese Prinzipien auf den WBT-Produktionsprozess übertragen lassen
und die LernBar (das hierfür weiterentwickelnde Autorensystem) dabei Unterstützung
bieten kann.
Zunächst wurde analysiert, welche Werkzeuge und Hilfestellungen benötigt werden,
um unter dem Aspekt der Lean Production WBTs im universitären Umfeld erstellen
zu können. In diesem Zusammenhang wurden Merkmale einer „Lean Media Production“
definiert sowie konzeptionell und technisch umgesetzt. Zur Verbesserung der Prozesse flossen Ergebnisse aus empirischer und praktischer Forschung ein. Im Vergleich
zu anderen Entwicklungen bei denen häufig das Hauptziel eine umfangreiche
Funktionalität ist, werden u.a. folgende übertragbare Ziele bei der Umsetzung verfolgt:
Verschwendung vermeiden, eine starke Einbeziehung der Kunden, Werkzeuge
die nahtlos ineinandergreifen, eine hohe Flexibilität und eine stetige Qualitätsverbesserung.
Zur Erreichung dieser Zielsetzungen wurden alle Prozesse kontinuierlich
verbessert, sich auf das Wesentliche und die Wertschöpfung konzentriert sowie überflüssige
Schritte eliminiert. Demnach ist unter dem Begriff „Lean Media Production“
ein skalierbarer, effizienter und effektiver Produktionsprozess zu verstehen, in dem
alle Werkzeuge ineinandergreifen.
Die Realisierung der „Lean Media Production“ erfolgte anhand des Autorensystems
LernBar, wobei die typischen Softwareentwicklungsphasen Entwurf, Implementierung
und Evaluierung mehrfach durchlaufen wurden. Ausschlaggebend dabei war,
dass der „Lean“-Aspekt berücksichtigt wurde und dies somit eine neue Vorgehensweise
bei der Umsetzung eines Autorensystems darstellt. Im Verlauf der Entwicklungen
ergaben sich, durch eine formative Evaluation, den Einsatz in Projekten und
eine empirische Begleitforschung, neue Anforderungen an das System. Ein Vergleich
der zwei Produktionssysteme, Automobil vs. WBT-Produktion, zeigt und bestätigt
die Erwartung, dass nicht alle Prinzipien der Lean Production übertragbar sind.
Dennoch war diese Untersuchung notwendig, da sie Denkanstöße zur Entwicklung
und Optimierung des Erstellungsprozesses eines WBTs gab. Auch die Ergebnisse der
abschließenden Online-Befragung ergaben, dass die Ziele der Arbeit erreicht wurden,
dass aber weiterer Optimierungsbedarf besteht. Die LernBar Release 3 bietet für alle
Produktionsphasen Werkzeuge an, durch die eine effektive und effiziente Erstellung
von WBTs von der Idee bis zur Distribution möglich ist.
Stand noch vor fünf Jahren zu Beginn dieser Arbeit das Endprodukt bei der LernBar
Entwicklung im Vordergrund, verlagerte sich durch den Einfluss dieser Dissertation
der Schwerpunkt auf den gesamten Produktionsprozess. Unter Berücksichtigung der
in diesem Zusammenhang entwickelten Prinzipien einer „Lean Media Production“,
nehmen bspw. die Wirtschaftlichkeit und die starke Kundenorientierung während
des Produktionsprozesses einen wichtigen Stellenwert ein. Dieser Ansatz ist eine
neue Vorgehensweise im Bereich der Entwicklung von Autorensystemen, der seine
Anerkennung und Professionalität durch die Ergebnisse des selbstentwickelten Evaluationsbogens
sowie dem stetig wachsenden Einsatz in Schulen, Hochschulen und
Unternehmen belegen kann.
In weiteren Forschungsarbeiten ist zu untersuchen, welche Lean Production Prinzipien
zu verwenden oder anzupassen sind, wenn z. B. in größeren Teams oder mobil
produziert wird. Des Weiteren sollte überprüft werden, inwieweit die Lernenden mit
dem Endprodukt zufrieden sind und in ihrem Lernprozess unterstützt werden. Durch
diese Forschungsarbeit wurde ein Beitrag dazu geleistet, die Lehre und Ausbildung
zu optimieren, indem die Autoren/Lehrende in der Erstellung ihrer digitalen Lerninhalte
im gesamten Prozess von aufeinander abgestimmten Werkzeugen unterstützt
werden.
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On-line reconstruction algorithms for the CBM and ALICE experiments
(2013)
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Sergey Gorbunov
- This thesis presents various algorithms which have been developed for on-line event reconstruction in the CBM experiment at GSI, Darmstadt and the ALICE experiment at CERN, Geneve. Despite the fact that the experiments are different — CBM is a fixed target experiment with forward geometry, while ALICE has a typical collider geometry — they share common aspects when reconstruction is concerned.
The thesis describes:
— general modifications to the Kalman filter method, which allows one to accelerate, to improve, and to simplify existing fit algorithms;
— developed algorithms for track fit in CBM and ALICE experiment, including a new method for track extrapolation in non-homogeneous magnetic field.
— developed algorithms for primary and secondary vertex fit in the both experiments. In particular, a new method of reconstruction of decayed particles is presented.
— developed parallel algorithm for the on-line tracking in the CBM experiment.
— developed parallel algorithm for the on-line tracking in High Level Trigger of the ALICE experiment.
— the realisation of the track finders on modern hardware, such as SIMD CPU registers and GPU accelerators.
All the presented methods have been developed by or with the direct participation of the author.
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Authentische Verdeckung virtueller 3D-Objekte in Bilderwelten
(2013)
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Frank Nagl
- Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine authentische Verdeckung eingebetteter virtueller 3D-Objekte in augmentierten Bilderwelten bei einer geringen Anzahl an Fotos innerhalb der Bilderwelt zu erreichen. Für die Verdeckung von realen und virtuellen Anteilen einer Augmented Reality-Szene sind Tiefeninformationen notwendig. Diese stammen üblicherweise aus einer 3D-Rekonstruktion, für deren Erstellung sehr viele Eingangsbilder notwendig sind. Im Gegensatz dazu wurde in dieser Arbeit ein System entwickelt, das eine vollständige 3D-Rekonstruktion umgeht. Dieses beruht auf einem direkten bildbasierten Rendering-Ansatz, welcher auch mit unvollständigen Tiefeninformationen eine hohe Bildqualität in Bezug auf eine authentische Verdeckung erreicht. Daraus erschließen sich neue Anwendungsgebiete, wie z.B. die automatisierte Visualisierung von 3D-Planungsdaten und 3D-Produktpräsentationen in Bildern bzw. Bilderwelten, da in diesen Bereichen oftmals nicht genügend große Bildmengen vorhanden sind. Gerade für diese Anwendungsgebiete sind authentische Verdeckungen für die Nutzerakzeptanz der Augmentierung wichtig. Unter authentischer Verdeckung wird die entsprechend der menschlichen Wahrnehmung visuell korrekte Überlagerung zwischen virtuellen Objekten und einzelnen Bildanteilen eines oder mehrerer Fotos verstanden. Das Ergebnis wird in Form einer Bilderwelt (eine bildbasierte 3D-Welt, die die Fotos entsprechend der Bildinhalte räumlich anordnet) präsentiert, die mit virtuellen Objekten erweitert wurde. Folglich ordnet sich diese Arbeit in das Fachgebiet der Augmented Reality ein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren für die bildbasierte Darstellung mit authentischen Verdeckungen auf der Basis von unvollständigen Tiefeninformationen sowie unterschiedliche Verfahren für die notwendige Berechnung der Tiefeninformationen entwickelt und gegenübergestellt. Das Sliced-Image-Rendering-Verfahren rendert mithilfe unvollständiger Tiefeninformationen ein Bild ohne 3D-Geometrie als dreidimensionale Darstellung und realisiert auf diese Weise eine authentische Verdeckung. Das Berechnen der dafür notwendigen Tiefeninformationen eines 2D-Bildes stellt eine gesonderte Herausforderung dar, da die Bilderwelt nur wenige und unvollständige 3D-Informationen der abgebildeten Szene bereitstellt. Folglich kann eine qualitativ hochwertige 3D-Rekonstruktion nicht durchgeführt werden. Die Fragestellung ist daher, wie einzelne Tiefeninformationen berechnet und diese anschließend größeren Bildbereichen zugeordnet werden können. Für diese Tiefenzuordnung wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit drei verschiedene Verfahren konzipiert, die sich in Bezug auf genutzte Daten und deren Verarbeitung unterscheiden. Das Segment-Depth-Matching-Verfahren ordnet Segmenten eines Bildes mithilfe der 3D-Szeneninformationen der Bilderwelt eine Tiefe zu. Hierfür werden Segmentbilder vorausgesetzt. Als Ergebnis liegt für jedes Foto eine Depth-Map vor. Um eine Tiefenzuordnung auch ohne eine vorangehende Segmentierung zu ermöglichen, wurde das Key-Point-Depth-Matching-Verfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren werden die 3D-Szeneninformationen der Bilderwelt auf die Bildebene als kreisförmige Sprites projiziert. Die Distanz zur Kamera wird dabei als Tiefenwert für das Sprite verwendet. Alle projizierten Sprites einer Kamera ergeben die Depth-Map. Beide Verfahren liefern Flächen mit Tiefeninformationen, aber keine pixelgenauen Depth-Maps. Um pixelgenaue Depth-Maps zu erzeugen, wurde das Geometry-Depth-Matching-Verfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine Szenengeometrie des abgebildeten Szenenausschnittes erzeugt und dadurch eine pixelgenaue Depth-Map erstellt. Hierfür wird ein semiautomatischer Skizzierungsschritt vorausgesetzt. Die erzeugte Szenengeometrie stellt keine vollständige 3D-Rekonstruktion der Bilderweltenszene dar, da nur ein Szenenausschnitt aus Sicht einer Kamera rekonstruiert wird. Anhand einer technischen Umsetzung erfolgte eine Validierung der konzeptionellen Verfahren. Die daraus resultierenden Ergebnisse wurden anhand verschiedener Bilderweltenszenen mit unterschiedlichen Eigenschaften (Außen- und Innenraumszenen, detailreich und -arm, unterschiedliche Bildmengen) evaluiert. Die Evaluierung des Sliced-Image-Renderings zeigt, dass mithilfe unvollständiger Tiefeninformationen der entwickelten Depth-Matching-Verfahren und unter Einhaltung der gestellten Anforderungen (wenig Eingabefotos, kleine Szenen, keine 3D-Rekonstruktion) eine authentische Verdeckung eingebetteter virtueller 3D-Objekte in Bilderwelten realisiert werden kann. Mithilfe des entwickelten Systems können bildbasierte Anwendungen auch mit kleinen Fotomengen Augmentierungen mit hoher Bildqualität in Bezug auf eine authentische Verdeckung realisieren.
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Spin(9)-invariant valuations
(2013)
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Floriane Voide
- The first aim of this thesis is to give a Hadwiger-type theorem for the exceptional Lie group Spin(9). The space of Spin(9)-invariant k-homogeneous valuations is studied through the construction of an exact sequence involving some spaces of differential forms. We present then a description of the spin representation using the properties of the 8-dimensional division algebra of the octonions. Using this description as well as representation-theoretic formulas, we can compute the dimensions of the spaces of differential forms appearing in the exact sequence. Hence we obtain the dimensions of the spaces of k-homogeneous Spin(9)-invariant valuations for k=0,1,...,16.
In the second part of this work, we construct one new element for a basis of one of these spaces. It is clear, that the k-th intrinsic volume is also Spin(9)-invariant. The last chapter of this work presents the construction of a new 2-homogeneous Spin(9)-invariant valuation. On a Riemannian manifold (M,g), we construct a valuation by integrating the curvature tensor over the disc bundle. We associate to this valuation on M a family of valuations on the tangent spaces. We show that these valuations are even and homogeneous of degree 2. Moreover, since the valuation on M is invariant under the action of the isometry group of M, the induced valuation on the tangent space in a point p in M is invariant under the action of the stabilisator of p for all p in M. In the special case where M is the octonionic projective plane, this construction yields an even, homogeneous of degree 2, Spin(9)-invariant valuation, whose Klain function is not constant, i.e. which is linearly independent of the second intrinsic volume.
